高陡边坡柔性防护措施及工程应用研究

雷大鹏,罗 磊

(1.陕西国铁工程咨询管理有限公司，陕西 西安 710000； 2.四川奥思特边坡防护工程有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

我国山区坡面地质灾害频发，给人们的生命财产造成了巨大损失。其中落石崩塌是地质灾害的主要形态，占总量75%以上，常应用柔性防护系统[1-6]对其进行防护。柔性防护系统主要为主、被动防护系统。

近年来，针对被动柔性防护网系统缓冲性能的研究多采用足尺冲击试验与数值模拟[7-13]。其中，Escallón等根据欧洲规范ETAG027建立了一种被动柔性防护网系统。Escallón改进了支撑绳滑移变形控制方法，通过释放柱端附近支撑绳上的数个网环，形成了卡阻“规避区”，延缓了变形锁死，提高了系统缓冲性能。Gottardi等开展了500 kJ，1 000 kJ，2 000 kJ，3 000 kJ以及5 000 kJ等5种规格被动柔性防护网系统的足尺冲击试验。

随着被动柔性防护网的大面积使用，被动柔性防护系统的缺陷也越来越明显，最突出的两个缺陷，即防护能级有限、维护困难。

根据被动防护系统的向成及其抗冲击过程的响应特征，其极限防护能级由三部分构成，且针对落石冲击功能的不同，其发挥程度也不相同，即具有逐级发挥的特征。目前，国内落石试验平台最大落石冲击试验为5 000 kJ。

近年来以控制、引导和消能为防护理念引导式防护系统，能压制落石运动轨迹使其下落到预设位置，并能够实现大能级防护，对高陡边坡的落石防护有着明显的优势。

2 新型柔性防护技术

按照形式的不同可分为覆盖式帘式网和混合式帘式网(见图1)。覆盖式帘式网由拉绳、防护网片、锚杆以及耗能元件构成，防护系统将整个危险区域全部覆盖，控制落石运动范围，引导落石运动到预设位置。混合式帘式网由拦截收集系统和引导控制系统组成。拦截收集系统位于整个系统的上部，用钢柱支撑起一个张开的口袋，用于拦截收集更高位置坠落的石块，再由相连的引导控制系统引导落石沿坡面滚落到预设位置。

目前，应用于实际工程中的引导式柔性网主要有混合式(hybrid rockfall barrier)和大跨度口袋式(Long-span-pocket-type，简称 LRP)防护网两种，近年来，国内外学者开展了部分研究。

3 范家坪高陡边坡崩塌落石概述

范家坪隧道进口属陇西黄土高原的西北部，大部分被黄土覆盖，海拔在1 500 m～2 000 m左右。出露的岩石主要为灰岩以及千枚岩，呈片状或板状，由于抗风化能力弱，多被风化成碎块(见图2)。

隧道出口仰坡高度近500 m，坡度50°～70°左右，坡体下部浅覆盖层，上部基岩裸露，且属强风化状态。在洞顶上方200 m段设置了5道能级750 kJ的被动柔性防护网，柱高均为5 m。2020年8月15日，由于大暴雨导致范家坪进口边坡顶上大量泥土冲刷下来，冲毁了沿路上的5道被动防护网。具体工况如下：

从上到下，第一道被动网：此道被动网型号为RXI-Y-075，柱高5 m，防护宽度50 m。5跨网中均拦截有大量落石，最大单块约3 m3，整体拦截方量约50 m3。上拉绳减压环与支撑绳减压环均有不同程度启动，最右侧上拉绳锚杆被拉断，上支撑绳最右侧被拉出，最右侧2根钢柱被砸弯，网子完整(见图3)。

第二道：此道被动网型号为RXI-Y-075，柱高5 m，防护宽度80 m。最右侧2跨向坡面内倾倒，上拉绳锚杆基础被拉出，1个减压环完全启动，下侧拉绳锚杆被拉出。左侧5跨被冲毁，钢柱和上拉绳基础被拉出，部分减压环完全启动，网中拦截有少量落石，网子完整(如图4所示)。

第三道：此道被动网型号为RXI-Y-075，柱高5 m，防护宽度100 m。最左侧2跨向坡面内倾倒。右侧8跨被冲毁，部分钢柱和上拉绳基础被拉出，部分减压环完全启动，网中拦截有大量落石，约300 m3，单块最大约4 m3，网子完整。最右侧下支撑绳连接锚杆处存在搭接，此次被拉脱(如图5所示)。

第四道：此道被动网型号为RX-050，柱高5 m，防护宽度170 m。最右侧11跨拦截有少量落石，结构基本完好。左侧6跨受到泥石流冲击，受到不同程度的破坏，1个上拉绳锚杆基础被拉出，减压环基本无启动，有2根钢柱弯曲，网中拦截有大量落石，约400 m3，单块最大约3 m3，网子完整(见图6)。

第五道：此道被动网型号为RX-050，柱高5 m，防护宽度150 m。最右侧10跨中，除第2根钢柱基础松动，其余结构基本完好。左侧5跨因泥石流冲击，受到不同程度的破坏，最左侧第一根钢柱基础被拉出，第6根钢柱被砸弯，减压环基本无启动，网中拦截有大量落石，约100 m3，单块最大约2 m3，网子完整(见图7)。

4 落石冲击计算

范家坪隧道进口边坡落石分析：根据此次崩塌落石的路径，取典型断面1进行落石冲击分析，断面1如图8所示。

落石质量取2 600 kg。1号、2号落石点其轨迹如图9所示。

由表1可知，五道被动网的拦截数量仅为46个，且最大冲击能量均远远的超出被动网设计能级；由落石轨迹以及弹跳高度可知，被动网的设置位置也存在不合理性，即使被动网的能级能够满足落石冲击要求，但拦截成功的概率仅为46%，不能满足工程防护需求。

表1 五道被动网拦截落石数量统计

5 设计方案

5.1 初步设计方案

根据落石弹跳轨迹以及弹跳高度，在高程400 m处设置第一道能级为1 500 kJ的张口式帘式网；在高程320 m处设置第二道能级为1 000 kJ的张口式帘式网；在高程240 m处设置第三道能级为750 kJ的张口式帘式网；取消第一道以及第四道被动网，剩余三道被动网进行重新维修、更换，其余参数保持不变(见图10)。

5.2 简化模型数值模拟分析

利用LS-DYNA软件对计算模型进行动力分析，采用了先进的显示动力非线性计算方法，考虑了防护单元内的危岩滑移、崩落、撞击、拦截和堆积等一系列动态过程，再现了防护系统全过程的工作状态。与完全做静力简化的传统设计方法相比，这种模拟分析直观再现了防护单元从静态到动态变化的全过程，有利于进行更加合理的设计，提高防护系统工作的安全性。

以第一道帘式网为研究对象，简化计算模型；数值模型中帘式网系统宽30 m，高50 m，共3跨，每跨10 m；横向拉绳间距约10 m，底部加密区横绳间距为3.5 m/3.5 m/3 m；纵向主拉绳间距10 m，纵向次拉绳位于主拉绳之间，间距2.5 m；耗能器型号为GS8002，其启动力约40 kN，最大拉伸行程为1 m；支撑钢柱、上拉锚绳、侧拉锚绳、上支撑绳、下支撑绳、横向拉绳的端部锚固在山体上，与山体铰接；模拟落石滚落位置位于坡顶跨中(见图11)。

5.3 模拟结果分析

5.3.1 落石运动状态

落石冲击下不同时刻防护系统的拦截状态见图12。

5.3.2 落石能量、速度

落石冲击能量及冲击速度见图13，图14，防护结构变形见图15。

5.4 小结

第一道张口式帘式网的简化模型模拟结果可知，各构件的承载能力、峰值内力值、安全系数以及整体最大变形如表2所示。

表2 计算结果评价

1)危岩落石防护配置方案的承载能力均远大于峰值内力，留有足够的安全系数，满足要求；2)帘式网在工作时，其动态受力行为是不可忽略的。在动力作用下，部件的不利响应必然增加，导致安全储备降低。因此，建议防护结构使用前进行详细的地质勘察和落石调查；3)引导区环形网的储备安全系数较低，建议根据落石源的具体形态适当的调整配置。

6 结语

二维落石分析可知，五道被动网的拦截数量仅为46个，且最大冲击能量均远远的超出被动网设计能级，被动网的设置位置也存在不合理性。建议在高程400 m处增设第一道能级为1 500 kJ的张口式帘式网，在高程320 m处设置第二道能级为1 000 kJ的张口式帘式网，在高程240 m 处设置第三道能级为750 kJ的张口式帘式网；取消第一道以及第四道被动网，剩余三道被动网进行重新维修、更换，其余参数保持不变。

根据第一道张口式帘式网的简化模型模拟结果可知，设计能级满足防护需求，且落石末端落石冲击能量小于1 000 kJ，冲击速度小于12 m/s；应用工程类比性，可知第二、三道张口式帘式网设计满足防护要求。